Орієнтовно підраховано, що протягом року на всій земній кулі буває близько 16 мільйонів проз і кожну секунду на землі спалахує 100 блискавок. Дослідження, які ведуться десятки років, встановили, що розподіл гроз по земній кулі виявляється досить стійким. У нас найбільше схильні до гроз гірські райони Кавказу - тут число грозових днів на рік доходить до 60. У Москві буває близько 20 - 25 днів з грозами.
Чим же пояснюється така сталість в грозової діяльності? Причина цього явища полягає в умовах утворень грозових хмар. Гроза - місцевий процес в земній атмосфері, але процес дуже бурхливий, що приводить до значної зміни електричного поля землі в районі дії грози.
Повітря атмосфери знаходиться під безперервним дією багатьох іонізаторів: радіоактивного випромінювання земної кори, короткохвильової частини спектра сонячної радіації, космічних променів. Під час грози в атмосфері з'являються заряди, незрівнянно більші, ніж ті, які утворюються ионизаторами, і відбувається різка зміна електричного поля. Освіта грози пов'язано з наявністю облікової і потужних вертикальних повітряних потоків. Сильний висхідний струм нагрітого біля поверхні землі повітря призводить на певній висоті, де температура низька, до великих температурних змін і швидкої вертикальної конвекції. В результаті починається раптова конденсація водяної пари, бурхливий краплеутворення і гроза. Залежно від умов виникнення розрізняють два основних типи гроз: внутрімасові (місцеві або теплові) і фронтальні грози. Внутрішньомасові грози виходять при нагріванні нижніх або охолодженні верхніх шарів повітря. Нерівномірне нагрівання повітря біля поверхні землі, особливо в гірських місцевостях, призводить до конвекції і випадання опадів грозового характеру. Тому так часті грози в горах.
Фронтальні грози виникають при зустрічі і на кордоні великих мас повітря різної температури. Натікання холодного повітряного шару на більш теплий - причина океанічних гроз і гроз, які супроводжують циклони. Таким чином, ясно, що освіта гроз безпосередньо пов'язано з рельєфом місцевості і її кліматичними умовами. Цим і пояснюється сталість грозової діяльності в різних областях землі.
Для грози характерно, що випадання опадів супроводжується інтенсивними електричними розрядами. Поява в хмарі зарядів пов'язано з процесами освіти і зарядки дощових крапель, з роботою вітру, з рухом потоків повітря.
Якщо між різнойменно зарядженими хмарами або між хмарою і будь-яким предметом на землі, мають заряд, створюється електричне поле, достатнє для пробою повітря в цьому місці, то станеться потужний електричний розряд, супроводжуваний яскравим спалахом світла і громом. Такий розряд називається блискавкою.
Вивчення фізичної природи блискавки почалося більше двохсот років тому. Ще геніальний Ломоносов встановив, що слабка електрична іскра, що виходить при роботі електрофорної машини, і величезна, потужна блискавка, що руйнує будинки і розщеплює дерева, являють собою один і той же фізичне явище. Однак детальне і глибоке вивчення блискавки і. встановлення її повного якісного подібності з іскровим розрядом стало можливим тільки при сучасному стані науки. Для цього треба було, по-перше, створення потужних генераторів напруг і струмів, які дозволили отримати в лабораторних умовах іскри довжиною від десятків сантиметрів до кількох метрів, з струмами і іншими параметрами, рівними тим, що бувають у цій блискавки; а по-друге, наявність такої вимірювальної апаратури, як електронний осцилограф і фотокамера з бистровращающейся фотоплівкою, за допомогою яких вдалося простежити розвиток в часі таких «миттєвих» процесів, як іскра і блискавка.
Фоторазвертка показала, що блискавка, сприймається оком або нерухомим фотоапаратом як дуже швидка одноразова спалах світла, насправді дуже часто складається з декількох послідовно наступних один за одним розрядів, причому кожен розряд в точності повторює шлях попереднього. У свою чергу, окремий розряд, або, як його називають, імпульс блискавки, має дуже складну структуру і в своєму розвитку проходить кілька стадій.
Характеристики блискавки і іскри дає також електронний осцилограф. Він записує величини напруги і електричного струму в розряді і зміна їх у часі. Зіставляючи записи осцилографа - осцилограми - з фоторазверткой розряду, можна наочно уявити собі послідовні фази блискавки.
За допомогою цих апаратів проводилося ретельне вивчення блискавки в природних умовах і іскри в лабораторії, де можна змінювати умови експерименту, а, значить, і характер розряду. Поступово вчені все глибше проникали в природу блискавки, і тепер картина її розвитку і електрофізичні процеси у всіх її стадіях в основному вже відомі.
Коли напруженість електричного поля в який-небудь частини хмари досягає величини в 30 кіловольт на сантиметр, електрони набувають таку швидкість, що їх енергія стає достатньою для іонізації молекул повітря. Звільнені при цьому іонізації електрони бомбардують нові молекули, в свою чергу, іонізуючи їх. Так утворюється і безперервно збільшується лавина електронів, що йде з хмар у напрямку землі. У міру просування лавини в ній посилюються іонізаційні процеси. Таким чином, створюється провідний канал. Він розігрівається і починає світитися. Цей світиться канал, що йде від хмари до землі, вже видно на фотографії блискавки. Він називається лідером, так як прокладає шлях в ще не провідному електрику повітрі. У міру наближення лідера до землі або будь-якого об'єкта на землі лідер індукує заряди протилежного знака. Чим ближче підходить лідер, тим більше зарядів підтікає для зустрічі з ним. У момент удару ця маса зарядів спрямовується до прокладеному лідером проводить каналу. При цьому відбувається нейтралізація негативного заряду лідера. Процес нейтралізації поширюється зі швидкістю кількох тисяч кілометрів в секунду. Ця фаза розряду називається головним каналом блискавки. У головному каналі течуть дуже великі струми, що досягають десятків тисяч ампер. Осцилограф в цей момент записує гострий пік струму, а на фотоплівці з'являється дуже яскрава лінія, точно повторює лідер, але повернена до нього під кутом. Коли головний канал досягає хмари, по ньому протікає заряд, що накопичився в довколишніх частинах хмари. Ця фаза блискавки схожа на електричну дугу. Тепер температура в каналі досягає десятків тисяч градусів. Після закінчення імпульсу, коли струм припиняється, в хмарі знову може утворитися велика кількість зарядів, і тоді по зберіг ще достатню провідність каналу піде наступний імпульс, за ним ще один і т. Д. Зафіксовані блискавки, що мали 20 і більше повторних розрядів.
У Росії вже з 30-х років ХХ століття багато років ведуться роботи по вивченню блискавки і іскри, і вчені внесли великий вклад в розкриття природи цих явищ. Відкриття лидерной стадії в іскрі, дуже тонке вивчення лідера, яке показало складність будови його каналу, - заслуга наших вчених. Ці роботи і детальне вивчення блискавки в різних умовах дозволили відкрити ще одну цікаву особливість її поведінки.
Поки блискавка розвивається далеко від землі, її шлях визначається коливаннями провідності навколишнього повітря, наявністю в тих чи інших місцях вологи, скупченням електричних зарядів. У міру наближення до землі на траєкторію блискавки починає надавати все більший вплив провідність різних шарів грунту, а також знаходяться на землі або в землі об'єкти. І, як правило, блискавка вдаряє в ту точку, де є найбільша провідність. Тому блискавка часто вдаряє не в піднесені місця з погано проводять грунтом, піском наприклад, а в низини і яри, де течуть струмки або є підземні грунтові води. Блискавка як би сама "вибирає" місце, куди їй зручніше вдарити. Пояснення цього, здавалося б, дивного, тління було дано професором І. С. Стекольніковим в його теорії виборчої поражаемости. На основі цієї теорії в Енергетичному інституті Академії Наук СРСР в 1943 році було вирішено важливе питання про грозозащіте нафтових озер. Захистом будівель від ударів блискавки - грозозахистом - займаються вже багато століть. Принцип роботи громовідводу, застосовуваний і в даний час, запропонував М. В. Ломоносов. Блискавковідвід відхиляє вже розвивається розряд від захищеного об'єкта, приймає його на себе і відводить в землю.
У 40-ті роки ХХ столітті грозозахист перетворилася в точну науку, яка дає теоретично обгрунтовані способи захисту від блискавки різних об'єктів і споруд. Основою всієї грозозахисту є громовідводи - найчастіше металеві стрижні, що підносяться над об'єктом, що захищається і з'єднані з землею через опір в кілька Омів. Громовідводи приймають на себе великий електричний заряд і відводять його в землю.
В даний час перед нашими вченими постають нові завдання, пов'язані з грозозахистом великих будівництв комунізму - гідростанцій на Волзі, Дніпрі та Амудар'ї, а також ліній високовольтних передач від них, за якими потече струм високої напруги. У Москві будуються висотні будівлі. Московський університет, розташований на Ленінських горах, досягає висоти в 230 м, він піднімається до хмар, і електричне поле, необхідне для розряду між хмарою і будівлею, виникає набагато швидше, ніж для будівель звичайної висоти. Для грозозахисту Московського університету та інших висотних будівель розроблена ціла система блискавковідводів, які будуть надійно заземлені і повністю захистять грандіозні споруди.